黄河中游水沙过程演变及水文非线性分析与模拟

黄河中游黄土高原地区上世纪70年代以来开展了大规模的水土保持综合治理和退耕还林工程。气候变化和剧烈的人类活动深刻影响了黄河中游的流域降水–产流–产沙过程。为认识气候–下垫面变化条件下流域产流产沙系统响应关系，本文以黄河中游为研究对象，分析流域水沙变化情势，剖析多时间尺度下黄河流域水沙变化及空间尺度效应，识别人类活动对径流、泥沙过程的影响及程度。从流域复杂非线性水文过程出发，尝试运用非线性方法分析不同时–空尺度径流、输沙的尺度规律—标度特征，以及人类活动和气候变化下不同尺度间径流、输沙过程演变带来的非线性标度特征的差别，基于非线性理论集成方法对变化环境下的径流、泥沙过程进行分析与模拟。(1)黄河中游各流域多年平均径流深变化范围为16.3~105.0 mm。本文32个流域中的31个流域年径流显著减少，变率介于-0.11和-1.83 mm·a-1之间，林区黄陵站不显著;各流域年降水和潜在蒸散发变化均不显著。水土保持等人类活动在年、日、次降水等多时间尺度上引起各空间尺度(100~105 km2)径流的变化。生态恢复对径流的调节在黄土高原南部各流域(北洛河、延河、清涧河等)实现了调洪补枯，主要体现在水土保持综合治理和退耕还林期丰水径流持续减少、枯水径流增加。然而，黄土高原北部地区在两个阶段表现为日、次时间尺度下各频率径流均减少。良好的林草植被生态系统可以维持较平稳的径流过程。生态恢复背景下日径流变化方向及程度由水土保持有效控制面积比例决定;水土保持措施对径流的调节效果则取决于水土保持措施种类、各种措施组合的科学性、林草措施物种选择等合理性与否，即人类活动决定了地貌类型支配下的径流的变化方向。(2)黄河中游不同植被结构和植被覆盖度的15个子流域(9个流域)之间年均输沙模数、含沙量差异达两个数量级;各流域的多年平均输沙量和含沙量的变化范围分别为199~10738 t·km-2·a-1、4.2~344.2 kg·m-3。良好的植被结构下无明显侵蚀，如黄陵站控制的流域，199 t·km2·a-1。生态恢复背景下，流域多时间尺度(年、日、次降水)输沙量和含沙量减少;年输沙量、年含沙量变率范围分别为-4.2~-386.8·t·km2·a-ii黄河中游水沙过程演变及水文非线性分析与模拟1，-0.08~-7.52 kg·m-3。多时间尺度径流、输沙、含沙量的变化表明生态恢复改变了黄河中游降水–径流、降水–输沙、径流–含沙量动态过程和数量关系。不同空间尺度(100~105 km2)下流域输沙量的减少由径流减少和径流–含沙量关系变化共同引起。含沙量变化在水土保持综合治理和退耕还林期对9个流域总输沙模数的贡献为-1008 t·km-2·a-1、-2049 t·km-2·a-1，总贡献率分别为28.3%和25.2%。林区张村驿站输沙模数为380 t·km2·a-1，但输沙量、含沙量均显著增加，变率分别为3.2 t·km2·a-1和0.21kg·m-3;表明生态恢复背景下，仍存在局部地区生态破坏、侵蚀增加的风险。(3)基于水热平衡理论，运用气候弹性方法评估了黄河中游气候因子和人类活动分别对径流和径流系数变化的贡献率。基于分形思想和径流–输沙概率分布，提出了分离含沙量变化和径流变化对输沙贡献的有效计算方法，结合气候弹性方法评估径流变化贡献，评估了人类活动和气候变化对输沙的贡献。水土保持综合治理期人类活动在黄河中游南部地区调节作用明显、减水量较小，对径流变化的贡献率不足50%;在北部地区主要表现为耗水，对径流减少的贡献率>50%。退耕还林期，随着植被耗水能力的增加，人类活动的影响起到主要作用，贡献率为56%~87%。生态恢复引起流域蒸散发增加，径流系数下降，人类活动在生态恢复的两个阶段均是导致径流系数变化的主要因素，在两个阶段的贡献率分别为56%~92%，69%~92%。人类活动对输沙变化的贡献率在两个阶段分别为48%~71%，62%~82%。水土保持综合治理期人类活动和气候变化对9个流域总输沙模数的减少量分别为2249 t·km-2·a-1、1313t·km-2·a-1;退耕还林期则分别为4720 t·km-2·a-1、1508 t·km-2·a-1;人类活动的总贡献率增加，在两个阶段分别为63.1%和75.8%。显然，人类活动始终是泥沙主要来源区输沙减少的主要因素。